开关磁阻电机基础知识

¾ 开关磁阻电机的控制技术
室
（3）电压PWM控制（Voltage PWM Control，VPC）
究
研
制
控
与
机
电 - 控制量：转矩产生或发电阶段内的占空比。通常也被用于基速以下运行，尤其是超低速。
学 - 电动运行：
在区域①，因电感斜率为0，母线电压作
- 发电运行： 在区域①，因电感斜率为0或负，母线电压
研 - 需要电动运行时，若分时给各相通以矩形波电流，则可得到无脉动的输出转矩。
（参照下面左图）
制 - 同理，需要发电运行时，若分时可得到各相矩形波电流，则轴端口将输入无脉动的 磁阻转矩。（注意：电动/发电运行时，相导通区域不同，如发电运行时应在电感 与控 下降区域流过电流，以吸收机械能。）（参照下面右图）
制 控
的驱动电路。
- 特点：各相电路互为独立， 上下桥臂开关管可同时开通
与 机
，不怕短路。
- 特点：各相有三种开关状态 ，分别为状态1、0、-1。
电 学
- 状态1：给绕组施加正的 母线电压，用于快速增加 电流。（励磁、用电）。
大
- 状态0：对电动运行，结合 状态1，得到所需施加电压。
山 燕
对发电运行，结合状态-1， 得到所需施加电压。 - 状态-1：给绕组施加负的母 线电压，用于快速减小电流。
（退磁、发电、回馈）Page 6
二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（2/5页）
¾ 开关磁阻电机的控制系统结构框图
室
究 - 左图是电动运行时的速度控制系统框图。 研 - 通常系统是转速外环，电流或转矩内环。
也有角度控制作为内环使用的。具体参
制 照SRM的控制方式。 控- 开关磁阻电机运行需要位置信息，通常
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二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（3/5页）
¾ 开关磁阻电机的控制技术
室
（1）角度位置控制（Angle Position Control，APC）
究
研
制
控
与
机
电 - 也叫做单脉冲控制。控制量：开通/关断角。该方法通常被用于基速以上运行。
学 - 电动运行：
在区域①，因电感斜率为0，母线电压作
于母线电压，故通过对母线电压的斩波可
山 得到恒电流。（软斩波、硬斩波）
在区域③，在运动电势和母线电压的双重
燕 作用下，电流降很快降为0.
常低于母线电压，故通过对母线电压的斩波 可得到恒电流。 在区域③，电感斜率为0，无运动电势。故 在母线电压的作用下，电流降很快降为0.
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二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（5/5页）
燕 =
R ⋅ iph
+
L(θ ,i)
di ph dt
+
∂L(θ ,i) ∂θ
ωrmi ph
V ph
⋅ iph
=
R ⋅ iph2
+
d dt
⎜⎛ 1 ⎝2
L(θ ,i)iph 2
⎟⎞ + ⎠
1 2
ຫໍສະໝຸດ Baidu
∂L(θ ,i) ∂θ
i
ph
ω2 rm
Tph
=
1 2
∂L(θ ,i) ∂θ
iph 2
∑ Ttotal = Tph
与
机
电 - 控制量：转矩产生或发电阶段内的电流值。该方法通常被用于基速以下运行。
学 - 电动运行：
在区域①，因电感斜率为0，母线电压作
- 发电运行： 在区域①，因电感斜率为0或负，母线电压
大 用下，电流将很快上升。
在区域②，电感斜率为正，但运动电势低
和运动电势作用下，电流将很快上升。 在区域②，电感斜率为负，运动电势大小通
动电势通常大于母线电压，故电流一般 会上升。 在区域③，电感斜率为0，无运动电势。故 在母线电压的作用下，电流降很快降为0.
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二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（4/5页）
¾ 开关磁阻电机的控制技术
室
（2）电流斩波控制（Current chopping Control，CCC）
究
研
制
控
- 发电运行： 在区域①，因电感斜率为0或负，母线电压
大 用下，电流将很快上升。
在区域②，因电感斜率为正，且速度高，
和运动电势作用下，电流将很快上升。 在区域②，因电感斜率为负，且速度高，运
运动电势通常大于母线电压，故电流一般
山 会下降。
在区域③，在运动电势和母线电压的双重
燕 作用下，电流降很快降为0.
机
电
学
大
山
燕
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一、开关磁阻电机的结构和工作原理（5/5页）
室 ¾ 考虑电流变化时间、理想电感条件下的电感、电流及转矩
究 - 不管是电动运行，还是发电运行，实际电流不可能是矩形波电流。
- 右图是电动运行情况下的a相
研
电流波形。区域①：开通角位 置至电感开始增加位置之间；
制
区域②：至关断角位置区间； 区域③：至电流降至零的位置。
- 按照“磁阻最小化原理”，产生磁阻转矩
与
机 - 按转子位置给定子绕组逐次供电，以便旋转
电
学
大
山
燕
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一、开关磁阻电机的结构和工作原理（2/5页）
¾ 开关磁阻电机的特点
室
究 - 电气及机械结构简单、坚固，制造工艺简单 （可媲美于感应电机）
研 - 需要专门的驱动电路，也因此容易实现多功能 制 - 损耗主要产生在定子端，因此驱动系统的效率高（相对于感应电机） 控 - 电机的制作成本低，因此其经济性能好 与 - 起动转矩大，低速性能好 机 - 调速范围宽 (可工作于达几万或十多万rpm转速）) 电 - 在宽领域内的调速范围内，控制灵活，易于实现各种转矩－速度特性 学 - 可四象限运行，具有再生制动能力 山大 - 噪音，振动大（缺点）
燕
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一、开关磁阻电机的结构和工作原理（3/5页）
室 ¾ 开关磁阻电机的电感曲线（Inductance Profile） 究
研 制 控 与 机 电 学 大 山 燕
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一、开关磁阻电机的结构和工作原理（4/5页）
¾ 开关磁阻电机的理想情况下的电感、电流及转矩
室
究 - 分析时开关磁阻电机理想电感曲线采用前页的曲线②，即梯形波。
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开关磁阻电机基础知识 室 究
研 制 控 与 机 电 学 大 山 李珍国 (电气工程及其自动化系) 燕 lzg@ysu.edu.cn
一、开关磁阻电机的结构和工作原理（1/5页）
¾ Switched Reluctance Motor（SRM）
室 Switched Reluctance Generator （SRG） 究 ¾ 开关磁阻电机的结构原理图 研 - 定转子 双凸极结构 制 - 定子各极上绕有集中线圈 控 - 转子上无绕组，无永磁铁，仅有叠片叠压而成
- 在区域①，为了尽快提升电流，
通常需要从电源吸收电能。
励磁阶段 发电阶段 退磁阶段
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二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（1/5页）
¾ 开关磁阻电机的驱动电路
室
究 ——不对称桥式功率变换电路 （Asymmetric bridge converter）
研- 有很多种功率变换电路， 左图是其中最常用最典型
- 可看出，为了在电感开始增加 位置处能够获得所需电流，须 提前开通；为了不在电感下降 区域通过电流，须提前关断。
控 与 机 电 电流上升阶段
退磁阶段 驱动转矩产生阶段
学
- 左图是发电运行情况下的a相电流
大
波形。区域①：开通角位置至电 流达到所需电流的位置之间；区
山 燕
域②：至电感斜率为零的位置； 区域③：至电流降至零的位置。
大 用下，电流将很快上升。
在区域②，电感斜率为正，但运动电势低
和运动电势作用下，电流将很快上升。 在区域②，电感斜率为负，运动电势大小通
于母线电压，故通过对母线电压的PWM可
山 得到恒电流。
在区域③，在运动电势和母线电压的双重
燕 作用下，电流降很快降为0.
常低于母线电压，故通过对母线电压的PWM 可得到恒电流。 在区域③，电感斜率为0，无运动电势。故 在母线电压的作用下，电流降很快降为0.
与 使用霍尔或光电编码器等位置传感器。
机 - 若是发电运行，外环通常是功率或电压控制。
电 ¾ 开关磁阻电机的数学模型
- 电压方程（某一相）
学
- 转矩公式（某一相和三相合成转矩）
大 Vph
=
R ⋅ iph
+
dλ ph dt
山 =
R ⋅ iph
+
L(θ ,i)
di ph dt
+
dL(θ ,i) dt
i ph